Магнитный резонансный силовая микроскопия: визуализация на наноуровне.
Magnetic resonance force microscopy
Магнитно-резонансная силовая микроскопия (MRFM): нано- и атомно-масштабная визуализация. Обнаружение одиночных электронов, изучение структуры белков. Высокая чувствительность.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Техника визуализации
Микроскопия магнитного резонанса с силой (MRFM) — это техника визуализации, позволяющая получать изображения магнитного резонанса (МРТ) в нанометровом, а в перспективе, возможно, и в атомном масштабе. MRFM потенциально способна визуализировать структуры белков, недоступные для изучения методами рентгеновской кристаллографии и спектроскопии ядерного магнитного резонанса белков. С помощью этой техники продемонстрировано детектирование магнитного спина отдельного электрона. Чувствительность современного MRFM-микроскопа в 10 миллиардов раз превышает чувствительность медицинской МРТ, используемой в больницах.
Imaging technique
Magnetic resonance force microscopy (MRFM) is an imaging technique that acquires magnetic resonance images (MRI) at nanometer scales, and possibly at atomic scales in the future. MRFM is potentially able to observe protein structures which cannot be seen using X ray crystallography and protein nuclear magnetic resonance spectroscopy. Detection of the magnetic spin of a single electron has been demonstrated using this technique. The sensitivity of a current MRFM microscope is 10 billion times greater than a medical MRI used in hospitals.
Основной принцип
Концепция MRFM объединяет идеи магнитно-резонансной томографии (МРТ) и атомно-силовой микроскопии (АФМ). Традиционная МРТ использует индуктивную катушку в качестве антенны для регистрации резонансных ядерных или электронных спинов в градиенте магнитного поля. MRFM использует консоль, оснащенную ферромагнитной (железокобальтовой) частицей, для непосредственного обнаружения модулированной силы градиента спина между спинами образца и наконечником. Характеристика магнитной частицы осуществляется с помощью метода кантилеверной магнетометрии. При приближении ферромагнитного наконечника к образцу, ядерные спины атомов притягиваются к нему, создавая небольшую силу, действующую на консоль. Затем спины последовательно инвертируются, вызывая мягкое колебание консоли вперед и назад в синхронном движении. Это смещение измеряется интерферометром (лазерным лучом) для создания серии 2D-изображений образца, которые объединяются для получения 3D-изображения. Интерферометр измеряет резонансную частоту консоли. Уменьшение размеров ферромагнитных частиц и использование более мягких консолей повышают отношение сигнал/шум. В отличие от подхода с использованием индуктивных катушек, чувствительность MRFM улучшается при уменьшении размеров устройства и образца. Поскольку отношение сигнал/шум обратно пропорционально размеру образца, броуновское движение является основным источником шума в масштабе, в котором MRFM эффективен. Соответственно, устройства MRFM криогенно охлаждаются. MRFM был специально разработан для определения структуры белков in situ.
The MRFM concept combines the ideas of magnetic resonance imaging (MRI) and atomic force microscopy (AFM). Conventional MRI employs an inductive coil as an antenna to sense resonant nuclear or electronic spins in a magnetic field gradient. MRFM uses a cantilever tipped with a ferromagnetic (iron cobalt) particle to directly detect a modulated spin gradient force between sample spins and the tip. The magnetic particle is characterized using the technique of cantilever magnetometry. As the ferromagnetic tip moves close to the sample, the atoms' nuclear spins become attracted to it and generate a small force on the cantilever. The spins are then repeatedly flipped, causing the cantilever to gently sway back and forth in a synchronous motion. That displacement is measured with an interferometer (laser beam) to create a series of 2 D images of the sample, which are combined to generate a 3 D image. The interferometer measures resonant frequency of the cantilever. Smaller ferromagnetic particles and softer cantilevers increase the signal to noise ratio. Unlike the inductive coil approach, MRFM sensitivity scales favorably as device and sample dimensions are reduced. Because the signal to noise ratio is inversely proportional to the sample size, Brownian motion is the primary source of noise at the scale in which MRFM is useful. Accordingly, MRFM devices are cryogenically cooled. MRFM was specifically devised to determine the structure of proteins in situ.
Важные события
Основные принципы MRFM-изображения и теоретическая возможность этой технологии были впервые описаны в 1991 году. Первое MRFM-изображение было получено в 1993 году в Исследовательском центре IBM Almaden с вертикальным разрешением 1 мкм и боковым разрешением 5 мкм, используя массивный образец парамагнитного вещества дифенилпикрилгидразил. Пространственное разрешение достигло нанометрового масштаба в 2003 году. Обнаружение магнитного спина отдельного электрона было достигнуто в 2004 году. В 2009 году исследователи из IBM и Стэнфорда объявили о достижении разрешения лучше 10 нанометров, получив изображение частиц вируса табачной мозаики на нанометровом слое адсорбированных углеводородов.
The basic principles of MRFM imaging and the theoretical possibility of this technology were first described in 1991. The first MRFM image was obtained in 1993 at the IBM Almaden Research Center with 1 μm vertical resolution and 5 μm lateral resolution using a bulk sample of the paramagnetic substance diphenylpicrylhydrazyl. The spatial resolution reached nanometer scale in 2003. Detection of the magnetic spin of a single electron was achieved in 2004. In 2009 researchers at IBM and Stanford announced that they had achieved resolution of better than 10 nanometers, imaging tobacco mosaic virus particles on a nanometer thick layer of adsorbed
hydrocarbons.